五道水库砾质黏性土心墙与基槽的接触渗透变形试验

明福林，付会成

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130012)

五道水库坝型为黏土心墙坝，坝壳为风化砂，黏土心墙座落在弱风化带上的混凝土盖板上，坝高42.3 m，坝顶长 450.0 m，总库容5 087万 m3。

1 试验概况

针对座落在基槽上的砾质黏性土心墙在水压力作用下，发生破坏的形式和允许坡降进行了研究。

1.1 试验条件

试验所用料与施工时采用的料源一致。选用了冲洪积成因的砾质黏性土，其粒度成分见表1。

表1 试验用料颗粒组成mm

砾质土的基本物理性质:砾质土的相对密度GS=2.70;液限 WL=37.1%;塑限 WP=21.6%;塑性指数IP=15.5% 。

土的压实特性使用三层击实仪，单位体积击实功为607.5 kJ/cm3，每层 25击时，＜5 mm的土料，最大干密度 ρdmax=1.72 g/cm3，最优含水率 WOP=17.5% 。对于粗、细混合土料，当粒径＞5 mm的含量＜30%时，需对试验结果进行校正，校正后的 ρdmax=1.76 g/cm3，WOP=16.4%。压实度选用95%，98%时，干密度分别为 1.67 g/cm3和 1.72 g/cm3，含水率 15.4% ～16.0%，以此作为试验时的控制干密度和含水率。

1.2 试验设备

试验设备采用自制80 cm×20 cm×20 cm的长方形混凝土槽，以满足仪器内径与土样最大粒径之比为4～6;试验长度一般为内径的2～3倍。长方形混凝土槽，由进水段、透水板、试验段、出水段和测压管组成，详见图1。

图1 渗透变形仪器示意

进水段与出水段填充中砂和卵石(靠近试样位置填中砂)以保护上下游试样面不被冲蚀。试验段的土样尺寸采用两种，分别是40 cm×20 cm×20 cm或30 cm×20 cm×15 cm。试验装样时，由于尺寸限制，剔除＞20 mm的碎石。

2 试验方法

根据需要控制的干密度及试样高度，水平分层填料，每层击实2 cm，将表面刨毛后再填上层新土，直至达到所需高度，然后用水泥砂浆或封料封闭混凝土槽上部。用低水头每次提升1 cm缓慢饱和，以达到完全排除试样中的空气，直至溢流水淹没试样表面时，接通测压管，开始测试。

试验过程中，保持水温和室温相同，消除气体逸出的条件，提高试验数据的准确度。每次提升水头后稳定2 h，测量测压管水位、流量和水温。当测压管水位、流量稳定后，再提高下一级水头。试验连续进行，不能间断，直至试验破坏。根据实测结果每级水头的持续时间一般在6～8 h。

破坏判别标准。由于该次试验的土体基本被封闭，试样表面又被砂及卵石保护着，不能目测到表面破坏位置及现象，所以主要依据供水箱位置升高或下降后，上游测压管水位出现不相应升高或下降、流量加大、溢流水浑浊等现象，此时试样结构已达到破坏判别标准，结束试验后，去掉试样的覆盖物，观察土样底部与混凝土接触处，当破坏部位在底部时则为接触冲刷破坏，如在其它部位则认为接触部位的坡降不小于该值，并记录其破坏部位及特征。

3 试验结果

1)制备试样时密度ρ为

ρ=m/(LBh)

式中，m为试样湿质量(g);L为试样长度(cm);B为试样宽度(cm);h为试样高度(cm)。

2)水平渗透坡降i为

i=ΔH/L

式中，ΔH为测压管水头差(cm);L为与水头差ΔH相应的渗透长度(cm)。

3)渗透流速v及渗透系数K为

v=Q/A， K=v/i

式中，Q为渗水量(cm3/s);A为试样面积(cm3);v为渗透流速(cm/s)。

4)临界渗流坡降ik为

ik=(i2+i1)/2式中，i2为开始出现颗粒移动时的坡降;i1为开始出现颗粒移动前一级的坡降。

5)破坏坡降iF为

iF=(i2'+i1')/2

式中，i2'为开始出现试验破坏时的渗流坡降;i1'为开始出现试验破坏时的前一级渗流坡降。

6)发生流土破坏时坡降iF'为

iF'=i1'

7)试验结果与lgi—lgv10曲线分析

坡降和渗透系数试验结果见表2。

从lgi—lgv10曲线可分析该土的渗透变形特征:lgi—lgv10曲线由三部分组成，第一部分为直线段，水在土体中运动时，受到土颗粒的阻力而消耗能量，此时试样内部土粒处于平衡稳定状态;第二部分 lgi—lgv10曲线是呈锯齿形，土粒处于调整状态，在水压力逐步作用下，处于平衡状态的土颗粒开始调整，但不会在土壤孔隙中被带走，孔隙体积处于临界状态;第三部分经过一段时间，随着土粒的移动，渗透流速增大，颗粒被渗透力所冲离，土颗粒完成失去抵抗渗透力作用，颗粒会被冲穿或开裂，显示了流土的特性，详见图2。

表2 坡降和渗透系数

图2 渗透系数与渗透坡降关系曲线

试验结束后，对试样的观察如下所述:

1号试样:当 iF=8.3时，溢流水浑浊，试样右上部颗粒组被冲蚀，形成宽3～4 cm的渗透通道，但土样与混凝土盖板接触面未见异常。

2号试样:当 iF=12.8时，试样右上角部位有 5 cm×5 cm土体变软，试样底部与混凝土接触处土体变软，其右下角处更为明显，已形成渗流集中。

通过以上对 lgi—lgv10关系曲线分析和试验后对试样的外观观察，1号试样在试验时，渗透坡降在4～6时，试样内部颗粒调整剧烈，一旦内部颗粒调整结束，试样瞬间破坏，土颗粒失去了抵抗渗透力的作用。因此，控制干密度为1.67 g/cm3，含水率为16%时，建议允许坡降采用2.8。2号试样，由于控制干密度较大，含水率较小，在逐步渗透坡降作用下，颗粒调整缓慢，土颗粒与渗透力保持一定的平衡状态，土颗粒具有一定的抵抗渗透力的作用。当渗透坡降接近10.2时，试样已形成集中渗流，控制干密度1.72 g/cm3，含水率15.4%时，建议允许坡降采用3.5。

4 渗流破坏的判别及临界渗透坡降

4.1 渗透破坏的判别

土体在渗透水流的作用，水压力受到土颗粒的阻力而消耗能量，土体有效重量减轻，土体逐步受渗透力作用，降低了抵抗破坏的能力，会发生渗透破坏，即

i≤［i］时安全

i ＞［i］时破坏

［i］为允许渗透坡降，它是由临界渗透坡降除以安全系数获得，安全系数可根据工程规模按规范选取。

4.2 流土临界渗流坡降计算

太沙基根据单元体积的有效重量作用在该土体上的渗透力相平衡理论，认为土体受渗透力作用时，松动、土粒间的摩擦力不存在。故不必考虑摩擦阻力的影响，以求安全。受到向上渗流的作用，流土的临界渗流坡降ik为

ik=(GS－1)(1－n)

式中，ik为临界渗流坡降;GS为土的相对密度;n为孔隙率。

有些学者认为该计算方法偏小，于是其他学者对此公式进行修正。扎马林提出的修正公式为

ik=(GS－1)(1 － n)+0.5n

王韦则考虑了土体强度的影响，提出修正公式为

ik=(GS－1)(1 －n)+(1+ζtanφ)

式中，ζ为土的侧压力系数;φ为土的内摩擦角。

沙金煊进一步研究考虑了土体颗粒形状的影响，坡降为

ik=α(GS－1)(1－n)

式中，α为土体颗粒形状系数，对于砂 α=1.16～1.17，对于有棱角的不规则颗粒 α=1.5，对于各种颗粒混合料 α=1.33。

齐尔察格考虑到有附加荷载影响时为

ik=(GS－1)(1－n)+G/(Wh)

式中，G为土壤表面附加荷载;W为附加荷载土壤的面积;h为附加荷载土壤的高度。

根据笔者多年的试验研究，土体结构、矿物成分对渗透变形起到一定的作用，因此，应用上述公式计算临界渗透坡降，一定要慎重确定所选择的各种影响参数。总之，不论采用什么公式计算临界渗透坡降，都与实测试验值有一定的误差，在工程设计中，采用临界渗透坡降应进行实际试验，以获取不同试验条件的临界渗流坡降。

5 结语

1)目前，开展砾质土的接触冲刷试验不多，从理论和实践上的总结不多，本身土类的渗流试验是复杂的，影响的因素也是多方面的，土体的渗透性不同，各向异性不同，各项要素不同，因此渗流是对宏观平均意义连续介质理论而言的，渗透流速是整个土体断面上的平均流速，而不是通过孔隙的实际流速。

2)按渗透理论，能满足渗透变形要求的试样是具有代表性的，试验仪器的内径与土样最大粒径之比应为4倍。

3)本次试验是在控制设计参数条件下，试验研究两种介面接触处的渗透变形和破坏形式，一种为混凝土盖板，另外一种为砾质黏性土，其中混凝土盖板相当于固体，摩擦力大，渗透系数较小，而砾质黏性土则相反。因此，研究两种界面接触处的渗透变形，通过试验分析认为，主要是砾质黏性土的变形，其破坏是发生在砾质黏性土本身。接触界面是否发生渗透变形和破坏主要取决于施工工艺和防止渗透破坏的控制措施。

4)如采用砾质黏性土施工时，土料一定拌合均匀，粗粒料不能集中，否则易形成渗透通道，降低其抗渗性能，尤其与盖板接触部位更为慎重。

5)每层填土厚度、压实密度要一致，同时层间接触处要刨毛，以防止出现裂缝，产生集中渗流。

6)考虑到试验的条件，不可能将施工时的各种条件都包括在内，特别是砾质土的不均匀性，因此安全系数选择要适当。

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